巧用吸管與瓶蓋自制化學模型

吳冰玉 丁偉

摘要：“模型認知”是化學學科核心素養(yǎng)的重要要素，文章介紹了幾種利用塑料制品建立化學模型的方法，這種方法是對專業(yè)模型的一種替代，可以在較短的時間內(nèi)以較低的成本建立，可廣泛應(yīng)用于中學化學教學之中。

關(guān)鍵詞：化學模型;塑料制品;自制模型

文章編號：1008-0546（2019）09-0087-04

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2019.09.028

一、問題的提出

模型是用于解釋真實物體或事物的試探性結(jié)構(gòu)，在促進概念理解與科學學習方面發(fā)揮著重要作用，它是一種利用歸納、抽象的方法進行科學認知的手段與方法。化學模型是連接微觀物質(zhì)與宏觀世界的一種重要媒介，根據(jù)學習對象的本質(zhì)特征與重要要素進行化學建模是化學學習中的一種重要手段，《普通高中化學課程標準（2017年版）》提出“模型認知”是化學學科科學素養(yǎng)的要素之一。模型常見的分類有物質(zhì)模型與思想模型，思想模型主要反映了在科學學習中的一種思維方式，而物質(zhì)模型更側(cè)重于形象化的體現(xiàn)。在一些物質(zhì)結(jié)構(gòu)的教學中，借助物質(zhì)模型進行教學，是激發(fā)學生興趣、促進模糊概念理解的有效手段。

但較多學校由于經(jīng)費等原因，并未在課堂中大規(guī)模使用物質(zhì)模型，物質(zhì)模型的普及度仍然處于一個較低的水平。即使有部分學校購置市場上的物質(zhì)模型，也僅限于使用簡單的球棍模型在有機化學部分進行教學，這種模型類型單一，并且每個球體已經(jīng)制作好了相應(yīng)的棍棒插入的位置，學生無法深入思考為什么鍵與鍵之間應(yīng)該有多大的角度，只能對結(jié)論進行機械的記憶與重復。在物質(zhì)結(jié)構(gòu)的晶體教學中，由于條件的限制，很少有教師會借助物質(zhì)模型進行教學，即使利用現(xiàn)成的晶體模型教學，也無法使學生深入理解粒子之間的位置關(guān)系。讓學生利用一些常見的材料自己親手制作模型不僅可以激發(fā)學生的化學學習興趣，還能加深其對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認識，提高其空間想象力。

二、材料的選擇

有研究者提出了一些自制模型的方法，如使用塑料串珠和絨線[1]、硬紙板[2]、泡沫塑料和毛絨條[3]等材料。通過反復嘗試和實驗比較，發(fā)現(xiàn)利用礦泉水瓶蓋、吸管等材料（如圖1），可以制造結(jié)構(gòu)模型，并且具有較多優(yōu)點。

（1）色彩豐富。礦泉水瓶蓋與吸管顏色多種多樣，在實際使用過程中不需要額外進行上色，可直接以不同的色彩代替不同的原子，使用起來較為方便。

（2）價格低廉，便捷易得。無論是吸管還是塑料瓶蓋，均不需要額外購買，可以在日常生活中收集積累，洗凈晾干使用即可。即使需要一次性使用大量的材料，也可網(wǎng)購獲得，制作成本接近于免費，遠遠低于購買專業(yè)的模型。

（3）便于連接。由于所選用的材料均為聚乙烯制品，利用高溫可以牢固地連接兩個塑料制品。操作簡單，安全系數(shù)較高。

（4）綠色環(huán)保。將廢棄物品進行再利用，有利于培養(yǎng)學生的綠色環(huán)保觀念。

（5）重量很輕。由于所采用的均為塑料制品，質(zhì)地較輕，且不像泡沫塑料一樣易于磨損，可以保存較長的時間，重復多次利用。

三、利用塑料蓋制作物質(zhì)模型

l.連接物的選擇

將物質(zhì)模型中的材料進行連接是自制模型中的一個重要的環(huán)節(jié)，巧妙的連接方法不僅可以降低制作難度，還可以大大節(jié)約建構(gòu)時間。通常連接瓶蓋的方法有打孔、加熱、膠水等。作者親自操作嘗試了打孔的方法，在構(gòu)建較復雜的物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型時，耗時較多，且利用魚線連接不夠穩(wěn)固。若改用鐵絲進行連接更為牢固，但是也存在一些局限，在視覺效果上不如利用透明的魚線連接美觀，在截取與穿孔時較為費力，并且鐵絲較為尖銳，在建構(gòu)過程中存在一定的危險性，學生在建構(gòu)過程中如若不小心很容易被鐵絲刺破手。改用加熱的方法，雖然可以有效避免尖銳物品的危險性，但是利用火燒很難控制連接的位置，使制造變得較為困難。同樣的，利用膠水也存在連接不牢固的問題，在模型制作完成后，在取放過程中，較為龐大的結(jié)構(gòu)模型很容易散落。

通過多次的嘗試與比較，最終選取了20W小號熱熔膠槍搭配膠棒作為連接所使用的工具。利用膠槍發(fā)熱和涂抹膠水準確的特點，將膠嘴靠近需要連接的地方，利用熱融化塑料的同時，擠出膠水，使“原子”更好的連接。利用膠槍進行連接，制得的模型美觀且牢固，在拿放時即使用力搖晃也不會松散，還可以利用膠嘴的高溫對瓶蓋直接進行打孔，操作十分簡單便利。膠槍可以反復利用，價格便宜，本文所選用的20W小號熱熔膠槍網(wǎng)售價僅為12元，不會對學生造成經(jīng)濟負擔。

2.甲烷的制作

甲烷是最簡單的烷烴，由一個中心碳原子和四個氫原子構(gòu)成。由于其結(jié)構(gòu)較為簡單，先從甲烷的結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建講述利用塑料瓶蓋的方法與步驟：

（1）選擇合適顏色的瓶蓋，不同的顏色代表不同的原子。在這里，選用白色瓶蓋代表氫原子，紅色瓶蓋代表碳原子。

（2）取一白色瓶蓋，在其圓形邊緣處，利用膠槍涂抹熱膠，將另一瓶蓋與其相對粘結(jié)，如圖3所示。并將剩余的三個原子同樣按此步驟操作。

（3）按照甲烷的結(jié)構(gòu)搭建模型，如圖4所示。

3.石墨的制作

石墨屬于混合晶體，同層的碳原子以sp2雜化形成共價鍵，每一個碳原子以三個共價鍵與另外三個原子相連，而層與層之間以范德華力連接。由于石墨晶體僅由碳原子構(gòu)成，因此選用同一顏色的瓶蓋進行構(gòu)造。具體步驟如下：

（1）在紙上畫出一個由6個圓圈組成的正六邊形。

（2）選6個同樣色彩的瓶蓋，將其按照紙上所畫的位置，將膠槍的膠嘴對準瓶蓋兩兩接觸的部位，擠壓出融化的膠棒，將兩瓶蓋用力對緊進行連接，待膠水凝結(jié)后，進行下一個瓶蓋的連接，制作出正六邊形。如圖5所示。

（3）在制作出的正六邊形的基礎(chǔ)上，繼續(xù)添加瓶蓋進行連接，建構(gòu)出多個單層石墨晶體結(jié)構(gòu)。

（4）利用膠嘴的高溫在一些瓶蓋上進行打孔，為構(gòu)建多層的石墨晶體作準備，如圖6。

（5）將木棍插入打好的孔內(nèi)，進行石墨晶體的構(gòu)建，圖7為制得的石墨晶體模型。

4.碳納米管的制作

碳納米管的制作需要的塑料瓶蓋較多，制作過程與制作石墨晶體并無較大差異，只是在制作基本的六邊形連接圖時，需要把六邊形進行一定程度上的彎曲。圖8即為制得的碳納米管結(jié)構(gòu)模型。

四、利用吸管制作物質(zhì)模型

吸管是生活中常見的一種物質(zhì)，可以利用吸管進行較多有機物結(jié)構(gòu)簡式的構(gòu)建，也可進行一些較為復雜的無機物分子結(jié)構(gòu)的建構(gòu)。在構(gòu)建過程中，可以利用吸管的顏色進行元素的區(qū)分。在利用吸管進行模型建構(gòu)時，一旦確定了分子的幾何形式，就要注意考慮鍵長及其等效長度，要利用剪刀將吸管剪成一定的比例長度。

在進行吸管的連接時，綜合比較了多種連接方法后，采用了最為便捷的一種，利用吸管作為連接工具，統(tǒng)一選取白色吸管進行一定的修剪后作為連接管，插入其余顏色吸管之中進行吸管間的連接。為了增加連接的穩(wěn)固性，在被連接的吸管內(nèi)用膠槍注入膠水后，再將連接管插入，即可實現(xiàn)吸管之間的連接。將在下文中以具體模型的構(gòu)建為例進行詳細講解。

1.甲烷的制作

甲烷是最簡單的烴，由一個碳和四個氫原子通過sp3雜化的方式組成，呈四面體構(gòu)型，且四個鍵的鍵長與鍵角相同，所以選擇同樣顏色的吸管，剪為相同的長度后進行模型的構(gòu)建。制作步驟如下：

（1）取黃色吸管，修剪為4個相同的長度，代表碳氫鍵，取白色修剪后的吸管作為連接物，修剪方法如圖9所示。

（2）在黃色吸管的一段利用膠槍注入熱膠后，迅速將連接管插入一半，利用相同的方法，將連接管的另一半插入另一支黃色吸管中，由此實現(xiàn)兩個吸管之間的連接。如圖10、11所示。

（3）按照（2）步驟，搭建剩余部分，制得的甲烷分子如圖12。

2.乙烯的制作

乙烯是最簡單的烯烴，由兩個碳原子和四個氫原子組成，六個原子共面，兩個碳原子之間以雙鍵相連。H-C-C角是121.3度;H-C-H角是117.4度，接近120度，構(gòu)建步驟如下：

（1）查找有機物鍵長表，為C=C鍵與C-H鍵的長度確定標準，選擇兩種顏色吸管代表C-C鍵與C-H鍵，并制作一些連接管。

（2）C=C鍵的構(gòu)造。建構(gòu)方式如圖13、14、15，利用兩根連接管，分別在兩根吸管左右兩端進行連接。

（3）按照上述連接方法，搭建剩余部分，制得的乙烯分子結(jié)構(gòu)模型如圖所示。

3.P4的制作

白磷（P4）是磷的一種同素異形體。白磷分子是由四個磷原子構(gòu)成的正四面體，鍵角為60度，lmol P4有6mol P-P鍵。但是學生經(jīng)常會混淆白磷分子的結(jié)構(gòu)，通過自制模型，可以對其立體結(jié)構(gòu)有著更為良好的認知。白磷的制作方法較為簡單，連接方法與上述步驟基本相似。制作過程如圖17、18。圖19、20分別為制得的白磷（P4）的分子結(jié)構(gòu)模型的主視圖與俯視圖。

4.S8的制作

S8是硫元素的單質(zhì)，是硫的同素異形體，分子中每個S原子與另外2個S原子形成S-S單鍵，其中，間隔的4個硫原子共平面。由于其結(jié)構(gòu)的復雜性，它是眾多學生難以掌握的一種分子晶體。通過親手制作S8的結(jié)構(gòu)模型，學生對其結(jié)構(gòu)將有更為深刻的理解與認識。圖21為制得的分子結(jié)構(gòu)模型，制作方法與上述步驟并無太大差別。

5.B12的制作

利用吸管和膠槍，可以很便捷地建構(gòu)B12分子的結(jié)構(gòu)模型，通過建構(gòu)B12分子模型，學生可以更好地理解其面、棱以及硼原子的數(shù)目。由于B12分子由一種原子組成，因此選擇相同顏色的吸管，制作步驟如下：

（1）選取藍色吸管，截取若干根等長度的短吸管;另取若干支白色吸管，將白色吸管沿底面圓形的直徑部分一分為二（用于后續(xù)連接藍色吸管）。

（2）取三支等長的截短后的藍色吸管，依次穿過白色連接管，使白色連接管插入藍色吸管后，制得一個三角形面（為了使模型更牢固，利用膠槍在連接部位的吸管內(nèi)注入膠水后再插入白色連接管）。

（3）以第一個三角形的一條邊為基礎(chǔ)，搭建第二個三角形。重復該步驟直至搭建出如圖22所示的一個形狀（做兩個圖22所示的模型組件）。

（4）在（3）的基礎(chǔ)上，選取五條棱，分別構(gòu)建5個三角形，如圖23所示。

（5）將圖22、23所示的兩個組件相連，即制得B12分子的結(jié)構(gòu)模型，圖24所示。

五、自制模型在教學中的應(yīng)用

利用塑料制品進行模型的建構(gòu)是對課堂上球棍模型的一種補充。通過模型的自制，學生可以更加清楚物質(zhì)的立體結(jié)構(gòu)。并且由于在自制模型中需要考慮到許多未曾注意到的問題，例如在利用塑料瓶蓋進行石墨模型的構(gòu)建中，需要思考使用多少個瓶蓋、如何將瓶蓋進行有效的搭建等問題，通過這些問題的思考與解決，學生會對所搭建的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)有著更加深刻的認識與學習。在利用吸管進行有機物模型構(gòu)建的過程中，通過思考吸管的數(shù)目、長度、角度等問題，學生會對有機物的鍵長、鍵角等概念有著更加深層次的理解，并且可以注意到更多以往僅僅通過圖片學習物質(zhì)結(jié)構(gòu)時沒有注意到的細節(jié)。

當物質(zhì)的結(jié)構(gòu)不再局限于書本上的圖片或者教師手中的道具時，學生的學習興趣便會大大增加，通過自己動手制作模型或團隊合作制作模型，學生不僅僅可以更加有效地掌握知識，還可以大大提高化學學習的熱情、豐富其空間想象力。模型的建構(gòu)使抽象的物質(zhì)結(jié)構(gòu)變得形象具體，從簡單易得的塑料制品材料出發(fā)，培養(yǎng)學生的模型認知素養(yǎng)。

參考文獻

[1]韓曉，王朝暉，基于常見材料建構(gòu)并應(yīng)用化學模型[J].化學教學，2016（12）：29-32

[2]劉振瓊，廉蠡.C60分子模型的簡易制作方法[J].化學教學，2003（2）：12

[3]馬薇，孟麗慧，劉立波.巧用泡沫塑料球自制晶體模型[J].化學教育，2016，37（23）：73-77